基于非球面透镜双组件的激光二极管平行光束圆化与准直

《Optik》：Parallel beam circularization and collimation based on an aspherical lens doublet for diode lasers

　　

摘要
设计了一种基于非球面双透镜的光学系统，用于二极管激光器光束的准直和圆化。该系统由两个胶合的非球面透镜组成。第一片透镜的前表面沿快轴和慢轴方向准直光束，而其前表面聚焦快轴光束。第二片透镜的后表面进一步准直慢轴和快轴光束，从而产生近似圆形的输出光束。设计方程推导并使用 MATLAB 优化，光束传播分析使用 ZEMAX。仿真和实验结果吻合良好，在光束整形系统出射面 10 mm 处产生直径约为 166 μm 的近似圆形光束。测得的 M2 值在快轴和慢轴方向分别为 1.3 和 14.0。

引言
二极管激光器相比其他类型的激光器具有若干优势，包括成本低、体积小、可用波长范围广泛和高脉冲重复频率。然而，其光束质量通常受固有像散和椭圆形光束轮廓的限制，这限制了它们在许多应用中的使用。因此，在二极管激光器能有效用于光纤耦合和激光雷达等偏好圆形光束轮廓的应用之前，通常需要进行光束整形。

根据二极管激光器的光学特性，边缘发射半导体激光器在垂直（快轴）和平行（慢轴）方向上具有不同的发射源和发散角 [1]，[2]。如图 1 所示，这两个方向的口径大小差异显著。两个横轴之间束腰的差异导致了椭圆形的远场分布以及两个轴不同的虚拟源位置 [3]。这些特性导致了高功率二极管激光器中通常观察到的固有像散和椭圆形光束轮廓。

为了克服这些限制，已报道了各种光束整形方法，包括柱面镜系统、自由曲面光学和反射光学配置 [4]，[5]，[6]。基于柱面镜的系统因其简单性而广泛使用，但通常需要多个光学元件和精确对准。自由曲面光学设计在光束整形方面提供了更大的灵活性，但涉及增加制造复杂性。反射系统可以有效地操纵光束轮廓，但通常导致笨重的配置。

相比之下，本文提出了一种基于非球面双透镜的专用光束整形系统。第一片透镜的前表面沿快轴和慢轴准直光束，而其前表面主要重塑快轴光束。第二片透镜的后表面进一步补偿慢轴发散并准直快轴光束，从而实现光束圆化。两个透镜共享一个公共光学界面，从而形成紧凑且对齐良好的配置。

因此，开发了一种非球面双透镜光束整形系统，以实现二极管激光器光束的同时圆化和准直 [7]。

章节片段
光束整形系统设计方法
光学光束整形系统可以使用物理光学或几何光学设计 [8]。光束发散通常由发散角描述，由光束轮廓的 1/e2 渐近线定义 [9]。当这些渐近线接近实际远场光束时，沿传播轴的瑞利距离 z0 由 ??0=?????20?? 给出，其中 ω0 表示束腰，λ 代表光学波长。在波长趋于零的极限下，几何光学可以应用于

光束整形系统设计
光束整形系统采用由两个非球面透镜组成的双透镜，如图 3 所示，用于整形二极管激光器光束。当光束通过第一片透镜的前表面传播时，它沿垂直（快轴）和平行（慢轴）方向准直 [14]。然而，当光束通过第一片透镜传播时，它仍然保持椭圆形。在第一片透镜的后表面，快轴分量被折射和聚焦，而慢轴

结论
提出了一种基于非球面双透镜的设计方法，用于二极管激光器发出的发散椭圆形光束的圆化和准直。双透镜由两个胶合的非球面透镜组成。第一片透镜的前表面沿快轴和慢轴方向准直光束，而其前表面聚焦快轴光束。第二片透镜的后表面进一步准直快轴和慢轴光束，从而产生近似圆形

披露事项
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CRediT 作者贡献声明
Cheng Wang：调查。Wenzhe Yao：形式分析。Chi Liu：形式分析。Junchao Guo：调查。Bin Liu：写作 - 原稿，方法论。Gang Li：形式分析，数据整理。Yaofeng Han：数据整理。Xiaohui Zhang：数据整理。

竞争利益声明
本稿件提交过程中不存在利益冲突，且所有作者均批准发表本稿件。

Bin Liu|Gang Li|Yaofeng Han|Xiaohui Zhang|Cheng Wang|Chi Liu|Junchao Guo|Wenzhe Yao
西安应用光学研究所，陕西西安 710